600 MW機(jī)組鍋爐后屏過熱器泄漏原因分析和預(yù)防

趙志宏，黃利明，李煥君，曾紅芳，王 榮

(內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012100)

某電廠2號(hào)鍋爐在機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生了爐內(nèi)管泄漏，停爐后為加快冷卻速度，進(jìn)行了強(qiáng)制冷卻，具備檢修條件后進(jìn)入爐內(nèi)檢查為后屏過熱器直管段和彎管段異種鋼焊口開裂，修復(fù)后機(jī)組再次啟動(dòng)4 h又發(fā)生泄漏，泄漏部位仍為后屏過熱器，2次泄漏共計(jì)被迫停運(yùn)233 h，對企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

水塞就是在鍋爐啟動(dòng)過程中，因各種原因在對流過熱器中存有積水，導(dǎo)致受熱管內(nèi)蒸汽無法順利通過，進(jìn)而使受熱管出現(xiàn)干燒，發(fā)生短時(shí)過熱爆管事故[1]。

1 設(shè)備概況

該廠為2×600 MW亞臨界空冷機(jī)組，鍋爐為SG2059-17.5-M915型控制循環(huán)、四角切向燃燒、一次中間再熱、固態(tài)排渣的π型汽包爐，出口蒸汽參數(shù)為17.5 MPa/540 ℃/540 ℃，該鍋爐設(shè)計(jì)五級(jí)過熱器，即爐頂、延伸側(cè)墻及尾部包覆過熱器→低溫過熱器→分隔屏→后屏→末級(jí)過熱器，爆管發(fā)生在后屏過熱器。后屏過熱器布置在分隔屏之后，共25片，每片由20根并聯(lián)套管組成，最外圈管子外徑Φ60 mm，其余內(nèi)圈均為Φ54 mm，橫向節(jié)距762 mm，材料除最外圈底部及最內(nèi)圈繞管底部用不銹鋼SA-213 TP347H(FG)，其余為15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-213T91合金鋼。為提高后屏過熱器自夾屏底彎安全裕度，2014年A修將原后屏過熱器自夾屏底彎管材由TP347H更換為TP347HFG，彎曲半徑由163 mm調(diào)整為185 mm。

2 泄漏點(diǎn)檢查

7月27日01:50發(fā)“四管泄漏”信號(hào)，專業(yè)人員就地檢查確認(rèn)有明顯泄漏聲，申請網(wǎng)調(diào)同意，于20:50機(jī)組停運(yùn)，鍋爐密閉。因7月正為發(fā)電黃金季節(jié)，為加快檢修進(jìn)程，于7月28日00:56啟動(dòng)引、送風(fēng)機(jī)維持送風(fēng)量416 t/h進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，冷卻19 h后，汽包壓力達(dá)0.28 MPa，停運(yùn)風(fēng)機(jī)，鍋爐密閉放水，放水后7 h，再次啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻，27 h后爐內(nèi)溫度達(dá)46 ℃，具備檢修條件后停運(yùn)風(fēng)機(jī)，開始泄漏點(diǎn)檢查處理，經(jīng)查為后屏過熱器第23排20、21根距B點(diǎn)約2 m處發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，其中21根異種鋼(TP347HFG+12Cr1MoVG)焊口開裂約4/5周(見圖1)，泄漏管上方進(jìn)行脹粗測量，第22排、24排有明顯沖刷減薄形貌。

圖1 后屏過熱器首次泄漏位置

按照火電廠異種鋼焊接技術(shù)的相關(guān)要求，更換了泄漏的第23屏自夾屏U形彎(TP347HFG)及被吹損的22屏、23屏、24屏11-17等共計(jì)10根管道，并進(jìn)行了熱處理。于7月31日17:07全部處理完成，機(jī)組具備啟動(dòng)條件。

按網(wǎng)調(diào)安排，機(jī)組于8月2日21:35等離子點(diǎn)火，8月3日06:01機(jī)組并網(wǎng)，08:30機(jī)組負(fù)荷380 MW、主蒸汽壓力12.5 MPa，巡檢員發(fā)現(xiàn)鍋爐50 m甲側(cè)有爐管泄漏聲，08:45泄漏聲突然增大。后申請網(wǎng)調(diào)同意降低負(fù)荷至300 MW，鍋爐壓力降至8 MPa運(yùn)行，10:38機(jī)組停運(yùn)。

8月5日中午爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)為后屏過熱器22屏第22、24根管，因管內(nèi)積水瞬間噴出，爆破力反沖，第19彎扭曲纏繞并甩出，致使23屏后4根管變形。經(jīng)割管送檢進(jìn)行金相試驗(yàn)分析，2個(gè)爆口呈現(xiàn)典型短時(shí)過熱特征，為短時(shí)過熱爆管(見圖2)。

圖2 后屏過熱器二次爆管現(xiàn)狀

3 泄漏原因

3.1 首次泄漏

首爆口沿異種鋼接頭12Cr1MoVG側(cè)熔合線分布，由于Ni基焊縫金屬與12Cr1MoVG材料的合金元素含量相差懸殊，在二者熔合線處形成了富含C的脆性弱化區(qū)，導(dǎo)致焊口失效。同時(shí)，位于管子焊縫根部及外壁的焊縫熔合區(qū)域，由于應(yīng)力集中，運(yùn)行過程中管道承受一定的交變應(yīng)力，使得焊口熔合線附近承受低周疲勞載荷作用。

對爆口焊縫進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)填充層大于2.5 mm(焊絲直徑)，根據(jù)《火電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中對奧氏體不銹鋼及鎳基合金焊接“應(yīng)采取小線能量焊接，層間厚度不宜大于焊條(絲)直徑”的相關(guān)要求，判斷為焊接質(zhì)量存在問題。

3.2 第2次泄漏

通過對后屏過熱器入口集箱內(nèi)窺鏡及后屏部分底部彎管射線透照檢查，未發(fā)現(xiàn)其他異常，排除管內(nèi)有水渣、鐵屑、氧化皮等異物堵塞造成后屏過熱器短期過熱引起超溫爆管的可能。從爆口特征看，屬典型的短期超溫報(bào)警，判斷很有可能為水塞造成，為此展開了進(jìn)一步分析。

a.首次泄漏后為加快檢修速度，對鍋爐進(jìn)行了強(qiáng)制冷卻，且采用低壓力(0.28 MPa)放水，同時(shí)在割管檢查處理時(shí)管內(nèi)有大量積水，這說明未采用熱爐帶壓放水，致使管內(nèi)蒸汽無法烘干而凝結(jié)積水。

b.第1次消缺后點(diǎn)火初期，爐水溫度由68 ℃升至85 ℃，過熱器壓力上升速度明顯高于汽包壓力，說明過熱器管內(nèi)存在積水，為受熱后蒸發(fā)膨脹所致(見圖3)。

圖3 點(diǎn)火初期主蒸汽溫度與壓力

c.由圖4可以看出，點(diǎn)火初期投入了減溫水，但水量很少，后屏過熱器甲側(cè)出口汽溫出現(xiàn)反復(fù)波動(dòng)，且波動(dòng)幅度達(dá)100 ℃以上，說明是由于管內(nèi)積水向出口移動(dòng)的過程中被蒸汽沖出，造成汽溫陡降而后又迅速回升[2-5]。在機(jī)組并網(wǎng)后，給煤量增加較快，熱負(fù)荷增強(qiáng)，造成減溫水量偏大，原本管內(nèi)存在積水，再加上減溫水的大量使用，造成管內(nèi)積水不僅未完全汽化，反而進(jìn)一步加劇。

圖4 升溫升壓過程中一級(jí)減溫水量與汽溫

d.機(jī)組并網(wǎng)后，不僅煤量增加較快，二次風(fēng)量也大幅增加，造成爐膛甲側(cè)煙溫快速上升，致使有積水的甲側(cè)后屏過熱器出現(xiàn)短期超溫并爆管(見圖5)。

圖5 并網(wǎng)后二次風(fēng)量與煙溫

當(dāng)受熱面管內(nèi)積水時(shí)，會(huì)存在一個(gè)緩慢蒸發(fā)流動(dòng)的過程，它與受熱強(qiáng)度、蒸汽流量和時(shí)間有關(guān)。熱強(qiáng)度高時(shí)蒸發(fā)較快，蒸汽流量較大。當(dāng)熱強(qiáng)度較高，積水無法全部蒸發(fā)則形成水塞，引起局部U形管過熱，嚴(yán)重時(shí)即會(huì)引起超溫爆管。由此可知水塞部位也不是固定的，當(dāng)減溫水量大幅使用時(shí)，水塞易發(fā)生在減溫水噴口附近的管排，且與對應(yīng)管排的熱強(qiáng)度和蒸汽流量相關(guān)；當(dāng)不使用減溫水或減溫水量很小時(shí)，則可能發(fā)生在受熱較弱的管排，是否爆管則與熱強(qiáng)度的增加幅度和時(shí)間有關(guān)。

綜上所述，首次泄漏是由于焊接質(zhì)量不良且受長期交變應(yīng)力引起，第2次泄漏則是由于水塞引起的超溫爆管。水塞的形成是由于停爐后快速冷卻且壓力較低時(shí)放水，U形管內(nèi)蒸汽凝結(jié)積水；鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)較早投運(yùn)了減溫水，減溫水未汽化，延長了水塞的排出時(shí)間；機(jī)組并網(wǎng)后熱負(fù)荷增加較快，不僅減溫水量使用較多且大幅波動(dòng)，后屏過熱器內(nèi)水塞時(shí)間較長，無法消除，也使管壁嚴(yán)重超溫，進(jìn)而引起爆管。

4 預(yù)防措施

4.1 異種鋼焊接規(guī)定

a.對后屏過熱器異種鋼焊接接頭進(jìn)行全面排查和金相分析，存在缺陷的割除，加工V型坡口打磨后重新焊接，并減小熔合比。

b.為避免異種鋼焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕、熱裂紋和其他缺陷，焊接時(shí)要求采用小直徑焊絲打底，焊接時(shí)氬氣充滿管道且穩(wěn)定，選用小電流、適中的能量快速施焊，焊接過程中控制較低的層間溫度。

4.2 防止水塞爆管

a.正常停爐或事故停爐冷卻采用熱爐帶壓放水方式，汽包壓力0.8 MPa開始放水。待空氣門無白汽冒出4 h后，方可進(jìn)行自然冷卻。

b.水壓試驗(yàn)后放水，開啟水冷壁、省煤器放水，頂棚過熱器入口聯(lián)箱疏水，壓力0.2 MPa開啟過熱器出口排空氣門，開啟5%啟動(dòng)旁路，壓力至0 MPa后，開啟其余空氣門。

c.機(jī)組啟動(dòng)時(shí)嚴(yán)格控制升溫升壓速度，鍋爐點(diǎn)火2 h內(nèi)，升溫速率≤1.0 ℃/min，升壓速率≤0.03 MPa/min；點(diǎn)火后2 h升溫速率≤1.5 ℃/min，升壓速率≤0.05 MPa/min。

d.增加給煤量應(yīng)緩慢均勻，以≤1 t/min的速度增加給煤量，磨煤機(jī)啟動(dòng)控制給煤量≤10 t/h。

e.鍋爐啟動(dòng)開啟PCV閥，鍋爐減壓后，可緩慢投入高低壓旁路，旁路開度大于15%，關(guān)閉PCV閥。

f.鍋爐上水前關(guān)閉減溫水門，減溫水門存在內(nèi)漏，應(yīng)及時(shí)消除。機(jī)側(cè)主蒸汽溫度高于370 ℃，減溫水注水后開啟主蒸汽減溫水各電動(dòng)門，可緩慢小流量投入一級(jí)減溫水，并觀察后屏過熱器出口溫度和末級(jí)過熱器出口溫度，如下降明顯應(yīng)關(guān)閉電動(dòng)門，減溫水投運(yùn)其對應(yīng)出口汽溫應(yīng)保證有80 ℃以上的過熱度。

g.點(diǎn)火后逐漸增加給煤量，控制升溫升壓速度，壓力升至5 MPa，高壓旁路開至80%后突關(guān)至50%反復(fù)活動(dòng)2次；待壓力重新升至5.0 MPa后，開啟PCV閥，壓力降至3.0 MPa后關(guān)閉，如此反復(fù)活動(dòng)3次，以排出過熱器內(nèi)積水。

h.鍋爐點(diǎn)火后隨著汽壓上升，觀察后屏過熱器和末級(jí)過熱器出口汽溫，如有短時(shí)下降且快速回升的現(xiàn)象，應(yīng)禁投減溫水，維持給煤量不變，增加旁路和PCV閥的開關(guān)次數(shù)，加強(qiáng)擾動(dòng)直至汽溫運(yùn)行平穩(wěn)。

i.機(jī)組并網(wǎng)后，控制升負(fù)荷速率4 MW/min，負(fù)荷達(dá)30 MW穩(wěn)定汽溫汽壓暖機(jī)30 min，當(dāng)運(yùn)行磨煤量達(dá)到最大時(shí)啟動(dòng)下臺(tái)磨煤機(jī)，及時(shí)調(diào)整二次風(fēng)門，維持大風(fēng)箱差壓400 Pa，當(dāng)總煤量達(dá)95 t/h時(shí)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定，切換廠用電，并檢查風(fēng)煙系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、主再熱系統(tǒng)及二次風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行是否符合要求。

j.負(fù)荷240 MW時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行30 min，投入減溫水和風(fēng)煙系統(tǒng)，檢查爐膛甲、乙側(cè)煙溫及各畫面參數(shù)是否合理，減溫水總量應(yīng)低于120 t/h，甲、乙側(cè)偏差應(yīng)小于25 t/h，后屏與末級(jí)過熱器壁溫與對應(yīng)汽溫差應(yīng)小于20 ℃，否則進(jìn)行燃燒調(diào)整，排出管內(nèi)積水。

5 結(jié)束語

針對2次爆管進(jìn)行分析，對后屏過熱器異種鋼接口進(jìn)行仔細(xì)排查，對存在的缺陷按規(guī)定重新施焊，經(jīng)檢驗(yàn)合格率100%。同時(shí)對水塞的形成原因予以全面分析，制定了防范措施，并在以后機(jī)組啟停過程中嚴(yán)格執(zhí)行。